無纖維SMA級配變化對穩(wěn)定度及動穩(wěn)定度影響的試驗研究

陳小周 王建偉

（1.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院 南京 211100；2.東南大學(xué)交通學(xué)院 南京 210096）

瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）以其優(yōu)良的抗車轍性能與抗滑性能而聞名于世。SMA結(jié)構(gòu)組成的主要特點可歸納為“三多一少”，即粗集料、瀝青及填料多，細(xì)集料少。它是由瀝青和礦粉組成的豐富的瀝青瑪蹄脂來填充粗集料骨架間隙而形成的一種混合料，具有骨料間有效嵌擠、瀝青膜較厚、孔隙率較小、表面粗糙等特點，因而具有良好的高溫抗車轍能力，低溫抗開裂能力，中溫耐疲勞性能，水穩(wěn)性及抗滑性能。20世紀(jì)90年代初SMA進(jìn)入我國以來，我國的道路工作者對SMA混合料展開了卓有成效的研究，并開始了廣泛的工程應(yīng)用［1］。筆者最近在研究無纖維SMA混合料的應(yīng)用時，對于級配的變化對其穩(wěn)定度及動穩(wěn)定度的影響方面作了一些試驗研究［2－3］。

1 試驗材料

1.1 瀝青結(jié)合料

SMA混合料中瀝青的質(zhì)量必須滿足瀝青瑪蹄脂的需要，要求有較高的粘度，尤其對于不加纖維的SMA混和料，更要求有較高的粘度以控制析漏，同時也要保證混合料有足夠的高溫穩(wěn)定性和低溫韌性。本文采用優(yōu)質(zhì)SBS改性瀝青，其主要檢測指標(biāo)見表1。

表1 SBS改性瀝青主要檢測指標(biāo)

1.2 礦料

（1）粗集料。由于SMA是斷級配骨架密實型混合料，粗集料含量多，荷載主要由粗集料骨架靠嵌擠作用來完成，而嵌擠作用的好壞在很大程度上取決于集料的堅韌性、顆粒形狀和棱角性，因此要求粗集料質(zhì)地堅硬、抗磨耗、表面粗糙、耐磨光、針片狀少、形狀接近立方體、軟石含量少。本研究采用優(yōu)質(zhì)玄武巖，破碎率100%，破碎面均為2個以上。

（2）細(xì)集料。細(xì)集料一般要求采用堅硬的人工砂，盡量不采用天然砂，要有一定的粗糙度，雖然SMA所用細(xì)集料少，但對此也不應(yīng)忽視。采用的細(xì)集料由優(yōu)質(zhì)玄武巖軋制而成，滿足要求的各項指標(biāo)。

（3）礦粉。礦粉是瀝青瑪蹄脂的重要組成部分，瀝青只有吸附在礦粉表面形成薄膜，才能對粗細(xì)集料產(chǎn)生粘附作用，所以要求采用與瀝青有良好粘附性的石灰石磨細(xì)的礦粉。采用的礦粉0.15 mm篩孔通過率為100%，0.075mm篩孔通過率為97.5%。親水系數(shù)0.73，滿足要求。

2 級配與混合料的穩(wěn)定度及動穩(wěn)定度

穩(wěn)定度是一個綜合性的強(qiáng)度指標(biāo)，從某種程度上反映混合料強(qiáng)度的大小，但它的受力模式與實際路面有較大的出入，它沒有側(cè)限，表面受壓而實際受拉，試件是在三向應(yīng)力（豎向受壓，兩水平向受拉）作用下破壞的，其強(qiáng)度的大小主要反映了混合料粘結(jié)力的大小。

瀝青混合料的動穩(wěn)定度實際上反映了路面抵抗車輛荷載反復(fù)作用而產(chǎn)生永久變形的能力，它主要取決于2個方面：①礦料的組成，粗集料間能否形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，能否構(gòu)成堅實的骨架至為關(guān)鍵。它是瀝青混合料強(qiáng)度公式中φ值的主要來源；②瀝青的性質(zhì)和含量。它是瀝青混合料強(qiáng)度公式中c值的來源，它為混合料提供粘結(jié)力，起到阻礙混合料發(fā)生剪切變形的作用。有關(guān)研究資料表明，對于一般瀝青混合料的抗車轍能力，礦料級配的貢獻(xiàn)率占60%，而瀝青則占40%。而對于像SMA這樣的斷級配骨架密實型瀝青混合料，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性主要靠粗集料間相互嵌擠來提供，其礦料級配對高溫穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)更大。因此，礦料級配是否合理，骨料間能否有效嵌擠對混合料的高溫穩(wěn)定性起主要作用。為了研究礦料級配對SMA混合料穩(wěn)定度及動穩(wěn)定度的影響，采用無纖維SMA－10設(shè)計過程中的幾組級配作為對比。各級配的組成見表2。

表2 各試驗級配

我國技術(shù)指南中對SMA所用粗集料的粒徑是根據(jù)集料的嵌擠作用判斷的，對SMA－13，SMA－16，SMA－20是指粒徑大于4.75mm 的集料，而對SMA－10是指大于2.36mm的集料。所以，SMA－10 的 關(guān) 鍵篩孔 為 2.36mm。參 照SMA－10的級配范圍，考慮不加纖維，故采用較細(xì)的級配，以達(dá)到降低集料間隙率，從而相應(yīng)減少瀝青用量，以解決混合料析漏問題。以2.36mm通過率為變化點，該組級配只有A，D，F(xiàn)在級配范圍內(nèi)，不過已處于上限，其余均已超出SMA－10的級配范圍，級配明顯偏細(xì)。A，B，C三級配礦粉用量為10%，D，E二級配礦粉用量為12%，F(xiàn)，G二級配礦粉用量為13%，油石比均為5.4%。

3 試驗結(jié)果及分析

按標(biāo)準(zhǔn)試驗方法制作馬歇爾試件及車轍板，然后進(jìn)行馬歇爾試驗及車轍試驗，試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 各級配試驗結(jié)果

由表3可見：①隨著礦粉用量也即粉膠比的增大，穩(wěn)定度與動穩(wěn)定度均隨之增大；②隨著關(guān)鍵篩孔2.36mm通過量的增大，即級配逐漸變細(xì)，馬歇爾穩(wěn)定度隨之增大，而動穩(wěn)定度則隨之降低。馬歇爾穩(wěn)定度與動穩(wěn)定度隨級配的改變呈相反的變化趨勢，這與普通瀝青混合料尤其是與懸浮密實結(jié)構(gòu)的I型混合料有著根本的不同。

其實這并不奇怪，原因是馬歇爾試驗的加載方式對SMA這種主要靠相互嵌擠的結(jié)構(gòu)是不利的。馬歇爾試件表面上看來受壓，其實試件內(nèi)部的破壞是受拉所致。SMA材料有70%左右是接近于單一粒徑的粗集料，在實際路面周圍有側(cè)限受壓時能產(chǎn)生相互嵌擠，但卻不耐拉。SMA受拉主要是依靠瀝青瑪蹄脂承受拉力，但在試驗溫度60℃時，瀝青變軟，粘度較低，勁度下降，瑪蹄脂對受拉不可能產(chǎn)生多大的抵抗，所以才出現(xiàn)這種看起來似乎矛盾的現(xiàn)象，即穩(wěn)定度越大其動穩(wěn)定度反而越小。

比如，對于級配A與C：A級配的穩(wěn)定度為11.1kN，在本次試驗中最低，但其動穩(wěn)定度卻是最高的，達(dá)5 274次／mm，這是由于其粗料多、細(xì)料少，骨架結(jié)構(gòu)充分形成，嵌擠作用充分發(fā)揮所致；C級配的2.36mm通過量為34%，其馬歇爾穩(wěn)定度為14.2kN，但其動穩(wěn)定度只有3 214次／mm，較其他級配均小。實測結(jié)果顯示，C級配的VCAmix＞VCADRC，骨架嵌擠結(jié)構(gòu)未能形成，粗集料間不能直接接觸，故其高溫穩(wěn)定性能較其他的差。

另外，由于級配A空隙率及析漏均過大，級配C空隙率過小，油石比顯得偏大，骨架嵌擠結(jié)構(gòu)未形成，故舍此二級配。B級配骨架嵌擠結(jié)構(gòu)基本形成，但空隙率偏小，析漏偏大，不能完全滿足要求，故通過增加粗集料及礦粉，同時減少細(xì)集料對其調(diào)整而得D，E二級配。調(diào)整后級配的穩(wěn)定度及動穩(wěn)定度均明顯增大，空隙率已基本能滿足要求，析漏明顯好轉(zhuǎn)但稍偏大，故再次進(jìn)行調(diào)整。通過增加礦粉同時減少細(xì)集料而再次調(diào)整得F，G二級配。此時F級配各試驗指標(biāo)均滿足要求，而G級配各試驗指標(biāo)也基本能滿足要求，只是VCAmix稍大于VCADRC，空隙率雖能滿足要求但稍小，故最終決定選用F級配。

F級配粗集料及礦粉含量均較多，其動穩(wěn)定度較其他幾個級配均有明顯的改善，這說明粗集料含量較高的級配，適當(dāng)增加礦粉，可提高其高溫穩(wěn)定性。但F級配的穩(wěn)定度明顯偏低。但這沒有關(guān)系，因為表征SMA強(qiáng)度的指標(biāo)主要是其動穩(wěn)定度，而不是穩(wěn)定度。另外，由本次試驗所測流值的結(jié)果看不出什么規(guī)律，它不隨級配的變化而增大或減小，也不隨粉膠比的變化而呈現(xiàn)出什么規(guī)律。不過有一點，它比普通瀝青混合料的值明顯要大。普通瀝青混合料的流值一般在2～5 mm之間，而本次試驗的結(jié)果幾乎全在5mm以上，這表明此改性瀝青無纖維SMA－10混合料在高溫時有較好的韌性。

所以在SMA設(shè)計中，穩(wěn)定度低并不意味著其高溫穩(wěn)定性能差，穩(wěn)定度高也并不意味著其高溫穩(wěn)定性能好，有時可能恰好相反。也正因為如此，SMA的配合比設(shè)計與普通瀝青混合料不一樣，雖然它也要以馬歇爾試驗作為設(shè)計手段，但其重點是礦料各部分的級配，各體積指標(biāo)及瀝青用量，而不是穩(wěn)定度與流值。穩(wěn)定度與流值并不作為接受或拒絕SMA混合料設(shè)計的唯一理由。這是與以穩(wěn)定度和流值作為控制指標(biāo)的普通瀝青混合料設(shè)計的最大區(qū)別之所在。SMA各體積指標(biāo)主要有：空隙率（Va）、集料間隙率（VMA）、粗集料間隙率（VCA）及瀝青填隙率（VFA）。

4 指標(biāo)檢驗

對最終所選的F級配進(jìn)行全面的試驗驗證。各檢驗指標(biāo)所得結(jié)果與建議要求見表4。

表4 指標(biāo)檢驗結(jié)果

由表4可見，該級配的混合料試驗檢驗指標(biāo)均滿足要求。它具有相當(dāng)好的高溫穩(wěn)定性，馬歇爾穩(wěn)定度亦滿足要求。表面有較大的構(gòu)造深度，滲水系數(shù)很小，基本上不滲水，各水穩(wěn)性指標(biāo)非常優(yōu)良，故可有效地將路面的抗滑性與耐久性統(tǒng)一起來。又由于有豐厚的瀝青瑪蹄脂填充粗集料間隙，故又具有優(yōu)良的抗裂性能，可將高溫抗車轍與低溫抗開裂統(tǒng)一起來，從而使其具有多方面的優(yōu)異性能［4］。

5 結(jié)語

對于無纖維SMA而言，級配越細(xì)，馬歇爾穩(wěn)定度越高，但其高溫穩(wěn)定性反而越低；級配越粗，馬歇爾穩(wěn)定度越低，但其高溫穩(wěn)定性反而越高。關(guān)鍵篩孔2.36mm通過量相同的級配，在油石比相同的情況下，礦粉用量增大，其馬歇爾穩(wěn)定度及動穩(wěn)定度同時增大；但級配的變化和流值卻沒有直接的關(guān)系。因此，在工程實際中，可以通過增大粗骨料含量，適度增加礦粉用量，同時減少細(xì)集料來提高混合料的性能。

目前在歐美一些國家早已修筑成功了無纖維SMA，并且已在推廣應(yīng)用。因此在修建瀝青路面時，考慮選用無纖維SMA無論在技術(shù)上還是在經(jīng)濟(jì)上都是合理有效的。

［1］沈金安.改性瀝青與SMA路面［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［2］陳小周.無纖維SMA－10路用性能試驗研究［J］.北方交通，2006（12）：27－29.

［3］余叔藩.SMA路面設(shè)計與施工［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［4］曾 勇.SMA混合料級配變化對高溫穩(wěn)定性的影響［J］.石油瀝青，1998（2）：31－32.